基于FPGA的并行DSP芯片实时图像编码平台（2） 电路板, 元器件, 电源, 影响

yuyang911220

系统供电方案
　　由于本系统的元器件较多且大部分工作功率较大，在每块板上各自设计供电系统是不合适的。同时由于系统内数据交换速度达到数百兆每秒，将电源集成至系统内部电路板会影响系统正常工作甚至导致各种布线问题。
　　本系统采用了独立电源供电，即整个系统供电都来自一个独立设计的电源系统。这种供电方式类似于个人PC上的供电系统。电源系统结构如图4所示。
　　电源系统芯片采用TI公司的电源模块PTH系列，该系列芯片具有稳定易使用且供电功率高的特点。5V输入电压系统后经过五片PTH芯片转换成所需的电压(1.0V,1.5V,1.8V,2.5V,3.3V)，经电源接口送入Mainboard和Processboard。
　　系统工作流程
　　当高速图像数据传入Mainboard上的大FPGA时，该FPGA实现对数据的分组和预处理，如果数据量超过FPGA内部存储器的范围，则将数据放入外部存储器中进行缓存；数据分组完毕后由大FPGA负责将数据传输至Processboard，Processboard并行处理完后再分别传送回Mainboard的小FPGA(如果数据分组适当，数据将同步传送至小FPGA)，最后由小FPGA实现数据重组和合并功能后，送至 Mainboard的DSP进行后期处理，处理完再由输出端口输出。这样系统完成了一次处理过程。
　　系统工作时最大的问题是并行任务分配与调度问题。任务分配和算法的好坏直接影响到并行系统的性能,影响系统执行任务的效率，进而影响系统的实时性。在多DSP 系统中，任务分配使得各个处理器能够均匀分配到子任务，使各处理单元的空闲时间减少，从而得到较高的执行效率。例如在图像编码中把一幅图像平均分割，使各处理器得到相同大小的子图像，有效提高了系统编码效率，满足其实时性要求。由于本系统的复杂度，采用FPGA来做任务分配与调度是可行的。
　　实时图像编码系统的扩展
　　由于在设计上采用控制与处理的分离设计，这个系统有非常好的扩展性。如图5所示，系统对Processboard和Mainboard的扩展都支持，具体表现在以下几方面：
　　(1)Processboard的扩展—Mainboard给出了四组有效的Processboard扩展接口，也就是说最多可以扩展至四块Processboard。图中画出了八个接口，其中两两一组，目的是方便调试两板之间的通信，还利于整个系统的散热。
　　(2)Mainboard的板级扩展—通过板上预留的接口，Mainboard可实现32位的级联扩展。当接上其余Mainboard时，系统工作方式如下：级联后，每一级专门负责自己的任务，第一块板的所有FPGA都用来实现预处理和基本控制，其余级联板可以用来完成类似于 Processboard的任务，也可以完成多级处理的任务，这种工作方式适用于多级处理。
　　Processboard扩展时会遇到时钟资源匮乏的问题，由于每片FPGA所提供的全局始终资源仅为16个，而每扩展一块 Processboard时所需的资源是5个，所以采用单片FPGA时最多只能实现三块Processboard的扩展。为解决这个问题，我们采用了双 FPGA的设计方法，两块FPGA分别掌管Processboard的进出时钟，这样设计最大的不仅将时钟资源翻倍，同时还可以方便FPGA的编程，便于系统调试。
　　系统性能
　　选取分辨率分别为1600×1280、1280×1024、1024×960的6副图像，利用实时图像编码系统进行图像编码，采用 JPEG2000图像压缩编码标准，表1为该系统的压缩结果和采用KDU算法的软件压缩结果，通过对比能发现，该系统压缩效果的PSNR值与KDU的相差甚小，而且可以达到在分辨率1440×1280的情况下实现每秒45帧的素压缩速度，完全可以胜任图像序列和高清视频的实时压缩要求。